Istiderna och jordens vingliga dans kring solen

Jorden vid glacialt maximum. Bygger på: "Ice age terrestrial carbon changes revisited" av Thomas J. Crowley (Global Biogeochemical Cycles, Vol. 9, 1995, pp. 377-389. Från Wikipedia Commons.

Vi har haft ett flertal inlägg som handlat om istider. Det som främst orsakar istider anses vara förändringar i jordaxelns lutning och jordbanans form. Här tänkte vi ta en närmare titt på hur det går till, bara så där för skojs skull.

Istider främjas av svala somrar på norra halvklotet. Då hinner sommarsolen inte smälta bort all snö, och snö packas på snö och bildar så småningom en inlandsis som sträcker sig längre och längre söderut. Och när man väl har ett istäcke så är det svårt att bli av med, eftersom is och snö med sin ljusa färg (dvs höga albedo) reflekterar bort solens strålning och därigenom skyddar sig själv från värmen. Det är själva istäcket och dess förmåga att reflektera solstrålningen som gör istiderna kalla, närmare bestämt upp till runt 6° C kallare globalt. Skälet till att det är svala somrar just på norra halvklotet som gäller är att landmassan på norra halvklotet är större än den på södra halvklotet.

Under perioder med svala somrar har vi också samtidigt milda vintrar (av skäl som snart kommer att förklaras), men det hindrar inte istäckets tillväxt. Det är ändå tillräckligt kallt på nordliga breddgrader för att det ska snöa. Om det är låt oss säga -5° eller -10° C på en viss plats under vintern spelar därför ingen större roll - det snöar i vilket fall. Faktiskt tenderar det att snöa mer när det är -5° än när det är -10° C, eftersom luftfuktigheten är högre vid högre temperaturer.

Men vad är det som orsakar svala somrar på norra halvklotet? För det första måste vi titta på vad som orsakar somrar (och andra årstider): det är jordaxelns lutning i förhållande till jordbanan runt solen. När jordaxelns norra ände lutar inåt mot solen så är dagarna på norra halvklotet (framför allt utanför tropikerna) längre vilket betyder mer solstrålning. Dessutom träffar solstrålningen jordytan i en mer rät vinkel vilket innebär att solstrålningen fördelas över en mindre yta samt har en kortare väg genom atmosfären (se bilden). På vintern är det tvärtom: dagarna är kortare, och solstrålningen träffar i en skarpare vinkel och sprids ut över en större yta och har längre väg genom atmosfären.

Jordens bana runt solen är inte en perfekt cirkel: den är en ellips, med ena änden närmare solen än den andra. Det innebär att jordens avstånd till solen varierar under årets gång. Det räcker inte till för att orsaka årstiderna, men det kan göra skillnaden mella svala och varma somrar. Svala somrar får vi om jorden befinner sig som längst från solen under norra halvklotets sommar. Då kommer jorden att befinna sig närmast solen på vintern, och vi får därför samtidigt milda vintrar. På det södra halvklotet får vi samtidigt varma somrar och kalla vintrar, eftersom deras sommar inträffar när jorden är närmast solen och vintern när jorden är längst från solen.

Var jorden befinner sig i jordbanan under norra halvklotets sommar respektive vinter varierar över tiden. Detta beror på att jordaxeln vinglar, dvs att jordaxelns lutning ändrar riktning. Denna vinglande rörelse kallas precession (se bilden här nedanför). Jordens precession utgör en cykel på 20,000 år. Därför växlar norra halvklotet mellan perioder med milda vintrar och svala somrar, och perioder med kalla vintrar och varma somrar. Det samma gäller för södra halvklotet, men när vi har  milda vintrar och svala somrar så har de kalla vintrar och varma somrar, och vice versa. Tydligen så räcker inte alltid perioderna med kalla vintrar och varma somrar på norra halvklotet till för att bryta isens grepp när väl en istid har inletts - annars hade istiderna bara varat  c:a 10,000 år åt gången. Nu varar de c:a 100,000 år. 

Precessionen i kombination med jordbanans elliptiska form är alltså huvudskälet till att jordens klimat växlar mellan istider och interglacialer (varma perioder). Med det slutar inte där. Hur starkt elliptisk jordbanan är (dvs jordbanans excentricitet) varierar också, med två olika cykler på respektive 100,000 och 400,000 år. När jordbanan är som mest excentrisk (dvs utdragen) och norra halvklotets sommar råkar infalla när jorden är som längst bort från solen, då får vi särskilt milda somrar här. Men en hög excentricitet leder också till särskilt varma somrar vid de perioder då jorden befinner sig närmast solen. Just nu är jordens bana nästan cirkelformad (dvs har låg excentricitet), och då får vi mest medelmåttiga vintrar och somrar: varken särskilt kalla och varma eller särskilt milda och svala. Med en låg excentricitet så har jordens precession inte så stor inverkan.

En tredje faktor som spelar in är att storleken på jordaxelns lutning också ändras över tiden. Detta kallas för vinkelns oblikvitet, och den förändras mellan 22° och 25,5° i en cykel på 41,000 år. Just nu är den på 23,5°. En hög oblikvitet bidrar till kallare vintrar och varmare somrar, och en låg oblikvitet bidrar till mildare vintrar och svalare somrar. Vi har alltså perfekta villkor för skapandet av ett istäcke om vi har har en precession så att vi har sommar på norra halvklotet när jorden befinner sig som längst från solen, och om jordbanan samtidigt är som mest excentrisk (det maximala avståndet till solen är som störst) och oblikviteten är som minst (dvs norra halvklotet vänder sig så litet som möjligt mot solen på sommaren).

Precessionens, excentricitetens och oblikvitetens cykler kallas tillsammans Milanković-cyklerna. Det är fascinerande att de inte orsakar någon större variation i den den totala solstrålningen som träffar jorden under ett helt år, utan att deras inverkan främst handlar om hur solstrålningen fördelas på jorden över året. Det är tillväxten av ett istäcke som gör det kallare, genom att mer solstrålning reflekteras tillbaka ut i rymden.

Men koldioxiden då? Den har också en roll i det hela, som en förstärkande faktor. Ett kallare klimat leder till att haven kan absorbera mer koldioxid, och när atmosfärens koldioxidhalt går ner så blir det ännu något kallare. När det å andra sidan blir varmare så avger haven koldioxid som värmer ännu mer.

Källa: David Archer. Global Warming - Understanding the Forecast. Blackwell Publishing, 2007.